 |
|
Лабораторна робота № 6
Демонстраційний експеримент на тему:
“Електричний струм у напівпровідниках”
Дослід 1. Електронна і діркова електропровідність напівпровідників
Обладнання: 1) термоелемент напівпровідниковий на підставці, 2) гальванометр демонстраційний від вольтметра, 3) з’єднувальні провідники, 4) нагрівач – електричний паяльник чи спиртівка.
Для демонстрації двох видів електропровідності домішкових напівпровідників застосовують напівпровідниковий термоелемент. Вид електропровідності визначають по напрямку термоструму в колі. Дослід починають з демонстрації електронної провідності.
Індикатором термоструму служить демонстраційний гальванометр. Сам прилад підключають до термоелемента: затискач гальванометра «+» з'єднують з нижнім холодним кінцем напівпровідника, що має електронну провідність (із правим затискачем термоелемента), а другий затискач – із верхнім кінцем напівпровідника (із середнім затискачем термоелемента).Поки температура обох кінців напівпровідника однакова, струму в колі немає. Потім верхній кінець напівпровідника (до нього припаяна мідна пластинка) обережно нагрівають, наприклад, злегка розігрітим електричним паяльником. Стрілка гальванометра відхиляється вліво. По напрямку струму легко визначити полярність кінців ввімкненого напівпровідника. Перевірка показує, що струм у колі йде від гарячого кінця напівпровідника до холодного, Отже, гарячий кінець напівпровідника зарядився позитивно, а холодний – негативно.
Для демонстрації діркової провідності гальванометр підключають до кінців другого напівпровідника термоелемента, причому нагрітий кінець напівпровідника (середній затискач) з'єднують з тим же затискачем гальванометра, що й у першому випадку. Тепер стрілка гальванометра відхиляється в правий бік, незважаючи на однакове ввімкнення гальванометра.
Зворотний напрямок струму в колі вказує на зворотну полярність кінців напівпровідника: гарячий кінець зарядився негативно, а холодний – позитивно. Виходить, у другому напівпровіднику змінився знак носіїв заряду. Тепер носіями заряду є дірки, що поводяться як позитивні заряди.
Дослід 2. Залежність електропровідності напівпровідників від освітленості
Обладнання: 1) фоторезистор ФС-К1 на підставці, 2) гальванометр демонстраційний від амперметра, 3) батарея акумуляторів, 4) електрична лампа потужністю 60-100 Вт на підставці, 5) з’єднувальні провідники.
Фоторезистор являє собою тонкий світлочутливий шар напівпровідника 1, що складається із сірчистого кадмію, нанесеного на круглу ізолюючу пластинку 4, краї якої запресовані в кільцеподібну пластмасову оправу 2. З протилежних сторін напівпровідникового шару зроблені струмовідводи 3, що з'єднані з двома запресованими в оправу електродами у вигляді вилки 5. Для захисту напівпровідникового шару від забруднення й атмосферного впливу поверхня його покрита прозорим лаком.
Фоторезистор ФС-К1 вмикають у коло джерела постійного струму напругою близько 4В послідовно з демонстраційним гальванометром від амперметра. Звертають увагу на малу величину початкового струму. Цей струм називають темновим. Він залежить від електричного опору фоторезистора і від прикладеної до нього напруги.
Далі запалюють електричну лампу, повільно наближаючи і віддаляючи її від фоторезистора, спостерігають збільшення і зменшення струму в колі. Роблять висновок, що опір напівпровідників при збільшенні їхньої освітленості зменшується.
Зміна опору під дією світла пояснюють збільшенням кількості вільних носіїв заряду. Це явище називають внутрішнім фотоефектом, а різниця між світловим і темновим струмом – фотострумом.
При постійній освітленості змінюють полярність ввімкнення фоторезистора в коло. При цьому спостерігають, що величина струму залишається незмінною.
Роблять висновок, що фоторезистор однаково добре проводить струм як в одному, так і в іншому напрямку. Він являє собою в електричному відношенні звичайний високоомний резистор.
Потім показують, що струм у колі з фоторезистором залежить також від величини прикладеної зовнішньої напруги. Для цього, не змінюючи освітленості фоторезистора, вмикають в електричне коло один, два, а потім три акумулятори. Відзначають лінійну залежність між струмом і прикладеною напругою.
Дослід 3. Дія найпростішого фотореле
Обладнання: 1) фоторезистор ФС-К1 на підставці, У) поляризоване реле РП-5 на підставці, 3) батарея акумуляторів, 4) електрична лампа потужністю 60 Вт на підставці, 5) ліхтар електричний кишеньковий, 6) кювета скляна з плоскопаралельними стінками на підставці, 7) склянки хімічні з водою – 2 шт., 8) гумова трубка довжиною близько 50 см, 9) піднімальний столик, 10) вимикач демонстраційний, 11) піпетка, 12) пластинка з білої жерсті, 13) наждаковий папір, 14) з’єднувальні провідники.
У коло батареї акумуляторів вмикають послідовно фоторезистор ФС-К1, поляризоване реле РП-5 і однополюсний вимикач. Контакти реле регулюють так, щоб якір міг займати тільки два крайніх положення, а лампа, ввімкнена у виконавче коло, загорялася при освітленому фоторезисторі і гаснула при його затемненні.
З цим фотореле показують досліди, що розкривають принципи роботи найпростіших фотоелектронних пристроїв автоматики.
1. Фоторезистор освітлюють електричним ліхтариком. Фотореле реагує на світло і вмикає сигнальну лампу. Потім пучок світла, що падає на фоторезистор, неодноразово і з різною швидкістю перетинають рукою. Фотореле встигає щораз ввімкнути і вимкнути сигнальну лампу.
Дослід 4. Однобічна електропровідність напівпровідникового діода
Обладнання: 1) діод напівпровідниковий Д7Ж на підставці, 2) лабораторний прилад з напівпровідниковим діодом Д7Ж, 3) гальванометр демонстраційний від амперметра, 4) батарея акумуляторів напругою 4 В, 5) реостат на 3000 Ом, 0,3 А, 6) з’єднувальні провідники
Напівпровідниковий діод Д7Ж складається з монокристалічної пластинки германія 6, що має електронну провідність. У верхню частину пластинки вплавлена крапля індію 5, а нижня частина припаяна оловом 7 до металевого корпуса 4. У процесі плавлення атоми індію дифундували усередину германія й утворили поверхневу ділянку з діркової провідністю. Інша частина пластинки, куди атоми індію не потрапили, залишилася з електронною провідністю. В результаті в пластинці утворилися дві різко розмежовані ділянки з різним видом провідності, тобто електронно-дірковий перехід товщиною в декілька мікрон.
Пластинка германію поміщена в герметично закритий, зварений металевий корпус 4, що ізолює її від атмосферного повітря і світла, забезпечуючи стійку роботу електронно-діркового переходу при зміні вологості навколишнього середовища і тиску. Від пластинки зроблені два виводи 3, причому один з них проходить у металевій трубці 1, ізольованої від корпуса склом 2.
Збирають демонстраційний омметр за схемою, показаною на рисунку, і за допомогою реостата встановлюють у колі струм такої величини, щоб стрілка гальванометра відхилилася до останньої поділки шкали «0-10» (нуль омметра).
Потім у коло омметра вмикають напівпровідниковий діод у пропускному напрямку. Омметр показує, що опір діода в пропускному напрямку малий.
Після цього в установці змінюють полярність ввімкнення діода. Струм у колі зменшується майже до нуля. Це вказує на значне збільшення опору запірного шару і його однобічну електропровідність.
Контрольні запитання
1. Дайте характеристику основних властивостей напівпровідникових речовин.
2. Обґрунтуйте, що таке p-n-перехід, методи його одержання, основи його властивості.
3. Доведіть, яку домішку донорну чи акцепторну - треба ввести, щоб дістати напівпровідник п-типу.
4. Які носії заряду є основними, а які - неосновними в напівпровіднику з акцепторною домішкою?
5. Чи збережеться одностороння провідність діода при високих температурах?
6. Як можна показати механічну аналогію діркової провідності напівпровідників? |
7. Опишіть процес зняття вольт-амперної характеристики діода.